1.5: Mvutano ndio unaoamua kasi ya mwanga

Nyumbani ／ Sura ya 1: Nadharia ya Nyuzinyuzi za Nishati (V5.05)

Mwanga ni kifurushi cha msukosuko kinachosafiri katika “bahari ya nishati”. Kikomo chake cha juu cha kasi si thamani ileile kila mahali ulimwenguni; huwekwa kila wakati na kila mahali na mvutano wa eneo la kati. Kadiri mvutano unavyoongezeka, ndivyo kikomo cha kasi ya ueneaji wa eneo kinavyoongezeka; mvutano ukipungua, kikomo hicho hushuka. Hivyo, mgawanyo wa mvutano kandokando ya njia “huandika upya” muda wote wa safari ya mwanga.

Maabara hutumia vipimo na saa za kienyeji ambavyo vyenyewe husawazishwa na mazingira. Kwa sababu hiyo usomaji hubaki takriban thabiti; tunauita kasi ya mwanga iliyopimwa.

Kauli hizi mbili zinaweza kuwa sahihi kwa pamoja: kikomo cha kasi ya mwanga katika eneo hubadilika sambamba na mvutano, ilhali thamani inayopimwa hubaki thabiti katika majaribio yaliyo ya kienyeji vya kutosha.

Taswira zinazoibua hisia

• Kwa ngozi ileile ya ngoma, kadiri inavyovutwa zaidi, ndivyo mwangwi unavyosambaa haraka.
• Kwa waya uleule wa muziki, ukivutwa zaidi, vilele vya wimbi husonga upesi zaidi.
• Katika kati “ngumu” zaidi, sauti husafiri kwa kasi zaidi.

Hitimisho la moja kwa moja: mvutano mkubwa na urejeshaji wa haraka ⇒ ueneaji wa kasi zaidi.

I. Kwa nini mvutano mkubwa huzidisha kasi (sababu tatu rahisi)

• Uwasilishaji mwembamba wa mwendo. Katika mvutano wa juu, kati hunyooka na hukazwa. Baada ya msukosuko, nguvu ya kurejesha hufanya kazi kwa uthabiti bila kusita, hivyo uhamisho unafika kwa haraka kwa kipengele kinachofuata na mbele ya wimbi husogea kwa kasi.
• Milio ya kando hupungua. Mvutano ukiwa mdogo, msukosuko huvimba, hukunjamana na hutawanya nishati pembeni. Mvutano wa juu huzima njia hizi za kuzunguka, hukusanya nishati kwenye mwelekeo wa mbele na kuongeza ufanisi.
• Uwiano bora kati ya urejeshaji na kusongwa. Kwa “kiasi cha nyenzo” sawia, mvutano mkubwa huimarisha urejeshaji na kupunguza uvivu/kunyinyirika; matokeo ya pamoja ni kasi kubwa zaidi.

Kwa kifupi: mvutano mkubwa = urejeshaji wenye nguvu + ucheleweshaji mdogo + upotovu mdogo wa kando ⇒ ueneaji wa haraka zaidi.

II. Kijeni thabiti, baina ya maeneo hubadilika (kwa mutabaka na relativiti)

• Makubaliano ya kienyeji. Ndani ya ujirani mdogo vya kutosha, kila anapopima kwa vipimo na saa za eneo hunasa thamani ileile ya c, kwa kuwa viwango husawazishwa na mazingira kwa namna moja.
• Mabadiliko yanayofuata njia. Ishara inapopita maeneo yenye mvutano tofauti, kikomo cha eneo cha kasi huweza kubadilika taratibu kulingana na kati. Tunahitaji tu ishara isifikie wala isivuke kikomo hicho popote; kinachobadilika ni kikomo chenyewe, si ishara “inayokimbia zaidi ya kikomo”.
• Kwa nini karibu na mvutano wa uvutano mkubwa ucheleweshaji hubaki chanya. Karibu na miili yenye umasi mkubwa, mvutano huwa juu na kikomo cha eneo huwa kikubwa; hata hivyo njia ya mwanga hupinda na kurefuka zaidi. Upunguzaji kasi unaotokana na njia ndefu huzidi ongezeko la kasi kutoka kwa kikomo kikubwa, hivyo muda wa jumla huongezeka — sawia na ucheleweshaji wa uvutano unaoonekana.

III. Kwa nini maabara hupata c ileile kila wakati

• Vipimo na saa si vitu “nje ya mfumo”. Ni vitu vya kimaeneo. Mvutano wa mazingira unapobadilika, viwango vya nishati vya atomu, marudio asilia na mwitikio wa nyenzo hubadilishwa sawia.
• Upimaji kwa vifaa vinavyosawazishwa pamoja. Chini ya viwango hivyo, kikomo kilekile cha eneo husomeka mara kwa mara kama nambari ileile.
• Hivyo basi: kikomo halisi cha eneo huweza kubadilika, ilhali thamani inayopimwa hubaki thabiti — cha kwanza ni “dari” ya kifizikia, cha pili ni usomaji wa kimaeneo.

IV. Usawasishaji wa haraka katika ulimwengu wa mwanzo

Wazo kuu: Katika vipindi vya mwanzo kabisa, mvutano wa usuli ulikuwa wa juu mno; “bahari ya nishati” ilikuwa imevutwa isivyo kawaida. Kwa hiyo kikomo cha ueneaji wa eneo kilikuwa kikubwa sana. Msukosuko wa taarifa na nishati uliweza kuvuka umbali mkubwa kwa muda mfupi sana, ukasawazisha kwa haraka tofauti za joto na uwezekano na kuunda ulinganifu wa skeli kubwa tunaouona leo.

• Kwa nini “upanuzi wa haraka wa anga” si wa lazima. Mtazamo wa kawaida husema anga yenyewe ilipanuka kwa kasi ili kueleza jinsi maeneo ya mbali yalivyoweza kuwasiliana. Hapa, taratibu za kinyenzo zinatosha: mvutano wa juu ⇒ kikomo cha juu ⇒ muunganiko wa haraka wa misukosuko — bila awamu mahsusi ya upanuzi (tazama Sehemu 8.3).
• Tofauti na “matukio ya akustiki” yaliyofuata. Kipindi cha plasma kilihifadhi mvutano wa usuli ulio juu kiasi, ila kuunganika kwa nguvu na kutawanyika kurudiarudia kulishusha mwendo wa safari wenye ufanisi wa mawimbi ya sauti ya pamoja chini ya kikomo cha eneo. Kipindi hicho kiliacha “vipindi vinavyopendelewa” kwenye muundo, lakini hakubadili hitimisho kwamba mvutano mkubwa wa awali wenyewe unatosha kuleta usawasishaji wa haraka bila upanuzi.

V. Viashiria vya uchunguzi na ulinganisho (kwa wasomaji wote)

• Pendelea uwiano usio na kipimo kwanza. Unapolinganishia maeneo ya mbali, tumia uwiano kama ule wa marudio ya mistari yenye chanzo kimoja, uwiano wa umbo la mikunjo ya mwanga, au uwiano wa ucheleweshaji kati ya picha nyingi katika lenzi ya uvutano. Hivi huzuia kuchanganya “viwango vinavyoelea pamoja” na mabadiliko halisi ya vigezo visivyobadilika.
• Tafuta muundo wa “unyevu wa pamoja + uwiano thabiti”. Katika lenzi yenye nguvu au mistari mikali ya mwonekeno, iwapo uwiano wa ucheleweshaji kati ya picha/wasambazaji unabaki thabiti huku nyakati timilifu zikihama kwa kiasi sawa, ishara inaelekeza kwa “vikomo vya eneo vilivyoundwa na mvutano + jiometri ya njia” badala ya ucheleweshaji wa chanzo au mtawanyiko tegemezi wa marudio.
• Njia ndefu huonyesha unyeti zaidi. Karibu na Dunia, ambako mvutano ni thabiti kiasi, vipimo vinavyorudiwa hurudisha thamani ileile. Njia ndefu sana au zinazopita mazingira makali hufichua tofauti kwa urahisi zaidi.

VI. Kwa muhtasari

• “Dari” ya eneo huamuliwa na mvutano: kadiri inavyovutwa ⇒ ndivyo kasi inavyoongezeka; ikilegea ⇒ kasi hupungua. Thamani inayopimwa huamuliwa na vifaa vya eneo: katika eneo dogo vya kutosha, hupatikana c kila wakati.
• Dari huwekwa na uwezo, saa huamuliwa na jiometri: kikomo hutoka kwa mvutano wa eneo; muda wa jumla hutoka kwa mgawanyo wa mvutano na umbo la njia.
• Inaendana na relativiti: katika “vipande” vya kienyeji vya kutosha, kikomo ni sawa kwa wote; tofauti hukusanyika tu baina ya maeneo.
• Katika ulimwengu wa mwanzo: mvutano mkubwa sana uliwezesha muunganiko karibu wa papo hapo wa misukosuko, hivyo kusababisha usawasishaji wa haraka bila awamu mahsusi ya upanuzi (tazama Sehemu 8.3).